TEXTE 60/2013. PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsszenarien

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1 TEXTE 60/2013 PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsszenarien

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3 TEXTE 60/2013 UMWELTFORSCHUNGSPLAN DES BUNDESMINISTERIUMS FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT Forschungskennzahl /01 UBA-FB /ANH,21 PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsszenarien Teilbericht zum F&E-Vorhaben Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung - PAREST von Rainer Stern Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie, Troposphärische Umweltforschung, Berlin Im Auftrag des Umweltbundesamtes UMWELTBUNDESAMT

4 Diese Publikation ist ausschließlich als Download unter verfügbar. Die in der Studie geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht mit denen des Herausgebers übereinstimmen. ISSN Durchführung der Studie: Freie Universität Berlin Institut für Meteorologie Troposphärische Umweltforschung Carl-Heinrich-Becker-Weg Berlin Abschlussdatum: September 2010 Herausgeber: Redaktion: Umweltbundesamt Wörlitzer Platz Dessau-Roßlau Tel.: 0340/ Telefax: 0340/ info@umweltbundesamt.de Internet: Fachgebiet II 4.1 Grundsatzfragen der Luftreinhaltung Johanna Appelhans Dessau-Roßlau, Juni 2013

5 Inhalt 1 EINLEITUNG AUSWERTESYSTEMATIK HYPOTHETISCHE SZENARIEN RCG -ANWENDUNGEN AUF DAS REFERENZJAHR AUSGANGSSITUATION MINDERUNG DER EMISSIONEN UM 100% Minderung aller Emissionen Minderung der Emissionen pro Stoff Minderung der Emissionen pro Verursachergruppe Minderung der Emissionen pro Stoff und Verursachergruppe MINDERUNG DER EMISSIONEN UM 25% Minderung aller Emissionen Minderung der Emissionen pro Stoff Minderung der Emissionen pro Verursachergruppe PM10-MINDERUNGSPOTENZIALE NORMIERT AUF IDENTISCHE EMISSIONSMINDERUNGEN PM10-MINDERUNGSPOTENZIALE FÜR UNTERSCHIEDLICHE NH 3 - UND NO X - EMISSIONSMINDERUNGSMENGEN ZUSAMMENFASSUNG LITERATUR ANHANG B: DIE RCG-MODELLGEBIETE ANHANG C: STÄDTISCHE HINTERGRUNDSTATIONEN ZUR BESTIMMUNG DES AVERAGE EXPOSURE INDICATOR, AEI ANHANG E: ABBILDUNGSVERZEICHNIS ANHANG F: TABELLENVERZEICHNIS... 54

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7 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 1 1 Einleitung Das Hauptziel des F&E-Vorhabens Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung (PAREST, siehe ist es, emissionsmindernde Maßnahmen zur Reduzierung der Feinstaubbelastung zu identifizieren, um die gegenwärtig noch auftretenden Überschreitungen der PM10-Grenzwerte und des geplanten PM2.5-Grenzwerts zukünftig zu vermeiden. Die immissionsseitigen Auswirkungen der geplanten Maßnahmen sollen mit Ausbreitungsrechnungen auf der Basis von Chemie-Aerosol-Transportmodellen bestimmt werden. Als Ausbreitungsmodell wird hauptsächlich das im Institut für Meteorologie der Freien Universität mit Unterstützung des Umweltbundesamts entwickelte REM-CALGRID-Modell (RCG- Modell, Stern, 2003; 2004a; 2004b) verwendet. In diesem Bericht wird eine PM10-Ursachenanalyse vorgestellt, die eine Abschätzung liefert, in welchem Umfang die in Deutschland von den verschiedenen Verursachergruppen emittierten Stoffe für die in Deutschland berechneten PM10-Konzentrationen verantwortlich sind. Ausgangspunkt der Berechnungen ist die in Jörß et al. (2010) beschriebene deutsche Emissionsreferenz mit dem Bezugsjahr Ausbreitungsrechnungen für Deutschland erfordern auch die Berücksichtigung des Ferntransports aus dem europäischen Ausland. Dazu wurden im Rahmen des FE-Vorhabens neben den deutschen Emissionen auch die Emissionen im europäischen Ausland erhoben (Denier van der Gon et al., 2010). Für das meteorologische Basisjahr 2005 wurde das RCG-Modell für die PM10-Ursachenanalyse zuerst auf die europäische Modellskala und dann auf die Modellskala Deutschland grob (siehe Kapitel 7) angewandt. Von diesen Läufen werden hier nur die Ergebnisse des Nests 1 (Deutschland grob) vorgestellt. Die im Folgenden präsentierten Berechnungen mit dem RCG-Modell basieren damit auf Anwendungen des RCG-Modells für Deutschland in einer Auflösung von Breite und 0.25 Länge. Dies entspricht in Mitteleuropa einer Maschenweite von circa 14 bis 16 km. Die meteorologischen Daten für die meteorologische Referenz 2005 wurden mit dem diagnostischen Analysesystem TRAMPER erstellt (Kerschbaumer und Reimer, 2003; Kerschbaumer, 2010). Eine zusammenfassende Darstellung aller im Rahmen des F&E-Vorhabens ausgeführten Arbeiten kann in Builtjes et al. (2010) gefunden werden.

8 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 2 2 Auswertesystematik Die Auswertung fokussiert zum Einen auf dem flächenmäßigen Vergleich der Jahresmittelwerte von PM10. Dazu wurden alle Modellergebnisse in das Visualisierungsystem FLADIS (Fath et al., 2010) übernommen und einheitlich darstellt. Die flächenhafte Darstellung der Modellergebnisse erlaubt zwar eine Bewertung für jeden Ort in Deutschland, die vergleichende Bewertung ist aber schwierig, da die Spannbreite der Immissionsunterschiede in einem inhomogenen Emissionsgebiet wie Deutschland sehr groß sein kann. Aus diesem Grunde werden zum Anderen 6 Klassen definiert, für die die Modellergebnisse ausgewertet werden. Dazu wird die Fläche Deutschlands eingeteilt in: Klasse 1: Gebiete mit einer Bevölkerungsdichte < 100 Einwohner/km 2 Klasse 2: Gebiete mit einer Bevölkerungsdichte > 100, < 510 Einwohner/km 2 Klasse 3: Gebiete mit einer Bevölkerungsdichte > 510, <945 Einwohner/km 2 Klasse 4: Gebiete mit einer Bevölkerungsdichte > 945 Einwohner/km 2 Klasse 5: Deutschland gesamt Die Klasse 1 umfasst alle ländlichen Gebiete mit einer geringen Bevölkerungsdichte. Die Obergrenze der Klasse 2 definiert die Bevölkerungsdichte, bei der der Median der Verteilung liegt. Die obere Grenze der Klasse 3 bzw. die Untergrenze der Klasse 4 ist die Bevölkerungsdichte, ab der man von einem Ballungsgebiet spricht. Die 6. Bewertungszahl wird aus einer Mittelung der Ergebnisse für die Gitterzellen abgeleitet, in denen die für die Bestimmung des so genannten AEI für PM2.5 (Average Exposure Indicator) ausgewählten städtischen Hintergrundstationen liegen. Diese Stationen sind in Kapitel 8 zusammengestellt. Die Einteilung in die Bevölkerungsklassen wurde auf Basis der von der EU erstellten Bevölkerungsverteilung vorgenommen ( Diese Daten beschreiben den Bevölkerungsstand von Die Abbildung 2-1 zeigt die aus den Daten abgeleitete Bevölkerungsdichte in Deutschland aggregiert im hier verwendeten Rechenraster von 0.25 Länge x Breite. In den dicht besiedelten Ballungsräumen Deutschlands liegt die Bevölkerungsdichte zwischen circa 5000 bis über Einwohner pro km 2.

9 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 3 Abbildung 2-1 Bevölkerungsdichte in Einwohner/km 2 in 4 Klassen. Zur Klassendefinition siehe Text. Die Auflösung entspricht der Auflösung des Nestes 1, Deutschland grob: Breite, 0.25 Länge, circa 14 km x 16 km.

10 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 4 3 Hypothetische Szenarien Die hypothetischen Szenarien sollen eine Abschätzung ermöglichen, welche Immissionsminderungspotenziale in Deutschland hypothetisch erreicht werden könnten. Die für die RCG- Ausbreitungsrechnungen benutzten Emissionen des Referenzjahres 2005 sind in Tabelle 3-1 zusammengestellt. Diese Angaben beruhen auf dem von Jörß et al. (2010) für Deutschland entwickelten Energiereferenzszenario. Ausgehend von der Emissionsreferenz 2005 wurden folgende hypothetischen Szenarien berechnet: Keine anthropogenen Emissionen in Deutschland Absenkung der anthropogenen Emissionen in Deutschland auf 75% der Referenzemissionen (-25%) Das erste dieser beiden Szenarien ist das umfassendste Szenario und beschreibt das maximal mögliche PM10-Minderungspotenzial der deutschen Emissionen % und -25% Minderung der Emissionen aller Verursachergruppen für die Stoffe: PM10 PMCO (PM10-PM2.5) PM2.5 NO x SO 2 NH 3 NMVOC oder NMHC (Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe) Jeweils -100% und -25% Minderung der Emissionen pro Verursachergruppe: Verbrennungsprozesse zur Energiegewinnung und Transformation: Kraftwerke, Fernwärme, Raffinerien ( Energy transformation, SNAP 1) Verbrennungsprozesse zur Energiegewinnung und Transformation: Gewerbe, Haushalte ( Small combustion sources, SNAP 2) Verbrennungsprozesse in der produzierenden Industrie ( Industrial combustion, SNAP 3) Produktionsprozesse ( Industrial Process emissions, SNAP 4) Extraktion und Verteilung von fossilen Brennstoffen und Geothermie ( Extraction of fossil fuels, SNAP 5) Gebrauch von Lösemitteln und Produkten ( Solvent and product use, SNAP 6) Straßenverkehr: Auspuffemissionen Ottomotoren und Dieselmotoren ( Road transport exhaust, SNAP 7-1 und SNAP 7-2) Straßenverkehr: Abriebemissionen ( Brake and tyre wear, SNAP 7-4) Straßenverkehr: Wiederaufwirbelungsemissionen ( Traffic resuspension, SNAP 7-6) Straßenverkehr gesamt ( Road traffic total, SNAP SNAP 7-6) Sonstige mobile Quellen und Maschinen ( Non road transport, SNAP 8) Landwirtschaft ( Agriculture, SNAP 10)

11 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 5 Die Verursachergruppe Abfallbehandlung ( Waste handling and disposal, SNAP 9) hat so geringe Emissionen, dass sie hier nicht betrachtet wurde. Die Verdunstungsemissionen des Straßenverkehrs (SNAP 7-6) wurden nicht mit in die Analyse einbezogen, da diese nur ein sehr kleines PM10-Bildungspotenzial besitzen. Auspuffemissionen LPG (SNAP 7-3) sind in der PAREST-Emissionsdatenbasis nicht enthalten. Die durch das Abschalten einzelner Verursachergruppen erreichbaren Emissionsminderungen bezüglich der Emissionen der Referenz 2005 zeigt die Tabelle 3-2. Bei den Stickoxiden stellen die Emissionen der Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren den größten Einzelanteil an den Emissionen der Referenz 2005 gefolgt von den Emissionen aus der Energieerzeugung (SNAP 1). Ammoniakemissionen werden zu über 95% von der Landwirtschaft verursacht. Die Kleinfeuerungsanlagen haben das größte PM2.5-Emissionsminderungspotenzial gefolgt vom Verkehr (Dieselmotoren und übriger Verkehr). Bei den PM10-Emissionen stellen die prozessbedingten industriellen Emissionen den größten Einzelbeitrag gefolgt von den Wiederaufwirbelungsemissionen des Verkehrs. Die Summe aller Emissionsminderungen ergibt das Szenario keine deutschen anthropogenen Emissionen, dessen Immissionsminderungspotenzial die in Deutschland maximal mögliche Absenkung der Immissionen durch nationale Maßnahmen beschreibt. Die Restimmission setzt sich zusammen aus dem Beitrag des Ferntransports über die deutschen Grenzen und dem PM10-Beitrag der natürlichen Emissionen. Der Beitrag der einzelnen Verursacher zu den Immissionen innerhalb von Deutschland wird durch Nullsetzen der entsprechenden anthropogenen Emissionen in Deutschland bestimmt. Für inerte Schadstoffe führt die Addition der Einzelbeiträge exakt zu den Ergebnissen des Basislaufs mit allen Emissionen. Für chemisch reagierende Stoffe ist dies nur näherungsweise der Fall, was eine Folge der nichtlinearen Beziehungen zwischen den Vorläuferemissionen und den über eine komplexe Kette chemischer Reaktionen entstehenden Folgeprodukten wie NO 2 und PM10 ist. Eine Änderung der Zusammensetzung der Emissionen führt auch zu einer Änderung der chemischen Abläufe und damit zu einer Änderung der Konzentrationsbeiträge. Aus diesen Gründen können die berechneten Beiträge der einzelnen Verursachergruppen zur Gesamtkonzentration auch nur als Näherung betrachtet werden.

12 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 6 Germany Emissions 2005 kt/y NOX NMVOC SOX NH3 PM2.5 PM10 Energy transformation Small combustion sources Industrial combustion Industrial process emissions Extraction of fossil fuels Solvent and product use Road transport gasoline Road transport diesel Road transport lpg Brake and tyrewear Volatilisation losses Traffic resuspension Non road transport Waste handling and disposal Agriculture SUM OVER ALL SECTORS Tabelle 3-1 Emissionen (kt/jahr) Referenz 2005, Deutschland. Zu den deutschen Bezeichnungen der Verursachergruppen siehe Text. Minderungspotenziale 2005 % NOX NMVOC SOX NH3 PM2.5 PM10 Energy transformation Small combustion sources Industrial combustion Industrial process emissions Extraction of fossil fuels Solvent and product use Road transport gasoline Road transport diesel Road transport lpg Brake and tyrewear Volatilisation losses Traffic resuspension Non road transport Waste handling and disposal Agriculture SUM OVER ALL SECTORS Tabelle 3-2 Erreichbare Emissionsminderungen in % bezüglich der Emissionsreferenz 2005 für das Abschalten einzelner Verursachergruppen (-100% aller Emissionen einer Verursachergruppe). Die rot markierten Einträge kennzeichnen für jeden Schadstoff das jeweils höchste theoretisch mögliche (Nullemission) Emissionsminderungspotenzial. Die Summe der Einzelminderungen ergibt -100%.

13 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 7 4 RCG -Anwendungen auf das Referenzjahr Ausgangssituation 2005 Für das meteorologische Basisjahr 2005 wurde das RCG-Modell auf die europäische Modellskala und die Modellskala Deutschland grob (siehe Kapitel 7) unter Verwendung der PAREST-Emissionsreferenz 2005 angewandt. Die meteorologischen Daten für die meteorologische Referenz 2005 wurden mit dem diagnostischen Analysesystem TRAMPER erstellt (Kerschbaumer und Reimer, 2003; Kerschbaumer, 2010). Von diesen Läufen werden hier nur die Ergebnisse des Nests 1 (Deutschland grob) vorgestellt. Das Nest 1 umfasst Deutschland und seine Nachbarregionen mit einer Maschenweite von 0.25 Länge und Breite (Abbildung 7-2). Abbildung 4-1 zeigt die mit dem RCG-Modell für 2005 berechneten PM10- Jahresmittelwerte in Deutschland. Die maximalen Jahresmittelwerte von über 30 µg/m 3 werden im Ruhrgebiet, im Rhein-Main-Gebiet und im Raum Ludwigshafen/Mannheim berechnet. Diese Konzentrationsverteilung bildet die Ausgangssituation für die Ursachenanalyse. Eine zusammenfassende, bevölkerungsgewichtete Bewertung erfolgt nach der in Kapitel 2 beschriebenen Vorgehensweise für die 4 Klassen mit zunehmender Bevölkerungsdichte (BVK1 bis 4), für Deutschland gesamt und für die zur Berechnung des AEI ausgewählten städtischen Hintergrundstationen. Ausgangspunkt der Betrachtung sind die bevölkerungsgewichteten PM10-Konzentrationen der Referenz 2005 für die 4 Bevölkerungsklassen, das Deutschlandmittel und das Mittel an den AEI-Stationen (Abbildung 4-2). Das bevölkerungsgewichtete PM10-Jahresmittel beträgt im Mittel über Deutschland für die Referenz 2005 circa 18 µg/m 3. Von der Bevölkerungsklasse 1 (ländliche Regionen) bis zur Bevölkerungsklasse 4 (Ballungsgebiete) steigt die PM10-Konzentration von 14 auf 22 µg/m 3 an. Die mittlere Konzentration an den AEI-Stationen ist etwas geringer als der Wert für die Bevölkerungsklasse 4.

14 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 8 Abbildung 4-1 PM10-Jahresmittelwert 2005 in µg/m 3. RCG-Modell. Emissionsreferenz 2005, meteorologisches Referenzjahr Rastergröße 0.25 Länge und Breite (Modellgebiet Deutschland grob ). Abbildung 4-2 Bevölkerungsgewichtete PM10-Konzentrationen der Referenz 2005 für die 4 Bevölkerungsklassen, das Deutschlandmittel und das Mittel an den AEI-Stationen in µg/m 3. Modellgebiet Deutschland grob.

15 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen um 100% Minderung aller Emissionen Die Abbildung 4-3 zeigt die PM10-Immissionsverteilung, die sich nach den Berechnungen einstellt, wenn in Deutschland alle anthropogenen Emissionen Null wären. Die PM10- Konzentrationen sinken ohne die deutschen Emissionen in den zentralen und südlichen Regionen Deutschlands bis auf circa 6 μg/m 3 ab, in den westlichen und östlichen Randgebieten werden noch μg/m 3 erreicht. An den Küsten überlagern sich die Beiträge der Seesalzaerosole zum PM10 mit den Beiträgen aus dem Ferntransport. Der Ferntransport über die Landesgrenzen ist im Westen höher als im Osten, da im Jahresmittel die Westwindwetterlagen überwiegen. Der Beitrag der deutschen Emissionen zu den Immissionen der Referenz 2005 kann aus Abbildung 4-3 (unten) abgeleitet werden. Danach können insbesondere in den hoch belasteten Ballungsgebieten deutlich mehr als 50% der PM10-Konzentrationen auf den Beitrag der deutschen Emissionen zurückgeführt werden. In den grenznahen Gebieten Deutschlands überwiegt der Beitrag des Ferntransports. Im Mittel über Deutschland können knapp unter 50% der PM10-Konzentrationen den deutschen Emissionen zugeschrieben werden. Die Abbildung 4-4 zeigt den absoluten Beitrag der deutschen Emissionen zu den PM10- Jahresmittelwerten der Referenz In den Ballungsräumen können danach zwischen circa 10 bis über 20 µg/m 3 den deutschen Emissionen zugeordnet werden. Die Abbildung 4-5 zeigt noch einmal das bevölkerungsgewichtete PM10-Jahresmittel für die 6 Auswerteklassen sowie das dazugehörige maximale Minderungspotenzial (-100% der deutschen Emissionen). Danach beträgt der mittlere Beitrag der deutschen Emissionen zu den PM10-Jahresmittelwerten 2005 in den Ballungsräumen circa 14 µg/m 3, in ländlichen Regionen circa 7 µg/m 3. Dies entspricht nach Abbildung 4-6 relativen mittleren Beiträgen von 49 % (ländliche Regionen) bis 63 % (Ballungsräume) zu den PM10-Jahresmittelwerten der Referenz 2005.

16 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 10 Abbildung 4-3 PM10-Jahresmittelwerte 2005 in µg/m 3 in Deutschland ohne die deutschen Emissionen (oben). Unten: Relative Abnahmen der PM10-Jahresmittelwerte (%) der Referenz 2005 durch das Nullsetzen der deutschen anthropogenen Emissionen. MIN, MEAN und MAX geben die niedrigste, mittlere und höchste Konzentration (oben) bzw. den Prozentbereich der Abnahmen (MIN und MAX) sowie die mittlere Abnahme (MEAN) in Deutschland an.

17 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 11 Abbildung 4-4 Beitrag der deutschen Emissionen in µg/m 3 zu den PM10-Jahresmittelwerten der Referenz Abbildung 4-5 Bevölkerungsgewichtete PM10-Konzentrationen der Referenz 2005 für die 4 Bevölkerungsklassen, das Deutschlandmittel und das Mittel an den AEI-Stationen in µg/m 3 (blauer Balken). Maximales bevölkerungsgewichtetes Minderungspotenzial der deutschen Emissionen (brauner Balken). Modellgebiet Deutschland grob.

18 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 12 Abbildung 4-6 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) der deutschen Emissionen bezogen auf die Referenz 2005 für die 4 Bevölkerungsklassen, das Deutschlandmittel und das Mittel an den AEI- Stationen in µg/m 3. Modellgebiet Deutschland grob.

19 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen pro Stoff In der ersten Serie von hypothetischen Minderungsszenarien wurden die Emissionen jeweils pro Stoff in allen Verursachergruppen um 100% vermindert. Die Abbildung 4-7 zeigt das bevölkerungsgewichtete PM10-Minderungspotenzial jedes Stoffes für die Bevölkerungsklasse 1 (ländliche Regionen) und die Bevölkerungsklasse 4 (Ballungsräume) relativ zum maximal möglichen Minderungspotenzial (-100% aller deutschen Emissionen). In Abbildung 4-8 sind die dazugehörigen absoluten PM10-Minderungspotenziale zusammengestellt. In Ballungsräumen kann durch die Minderung aller Stoffe um 100% im Mittel eine Minderung der PM10-Konzentrationen um knapp 14 µg/m 3 erreicht werden. Circa 2/3 dieses Potenzial wird erreicht, wenn man ausschließlich die direkten PM10-Emissionen um 100% mindern würde. In ländlichen Regionen tragen die deutschen Emissionen im Mittel etwas mehr als 7 µg/m 3 zu der PM10-Belastung bei. Im Gegensatz zu den Ballungsräumen wird der Hauptteil dieses PM10-Minderungspotenzials aber nicht durch die direkten PM10-Emissionen sondern durch die gasförmigen Vorläuferemissionen über die sekundäre Aerosolbildung gestellt. Mehr als 60% des ländlichen PM10-Bildungspotenzials kann nach den Berechnungen dem Beitrag der Vorläuferemissionen von Ammoniak, NO x, SO 2 und den Kohlenwasserstoffen (NMHC) zugeschrieben werden. In Ballungsräumen sind also die primären PM10-Emissionen für circa 2/3, in ländlichen Regionen nur für circa 1/3 für die von den deutschen Emissionen verursachten PM10- Immissionen verantwortlich. Die Summe der gasförmigen Vorläuferemissionen, die über komplexe physikalisch/chemische Prozesse zur PM10-Bildung beitragen, stellt in ländlichen Regionen circa 2/3, in Ballungsräumen dagegen nur circa 1/3 des PM10-Bildungspotenzials, wobei der größte Einzelbeitrag den NH 3 -Emissionen der Landwirtschaft zugeordnet werden kann. Die Rangfolge des relativen stoffbezogenen PM10-Minderungspotenzials ist also unterschiedlich zwischen Land und Stadt. Aus Abbildung 4-7 wird auch ersichtlich, dass die Beiträge der Vorläuferemissionen zum PM10-Minderungspotenzial einer starken Nicht-Linearität unterliegen. In ländlichen Regionen beträgt der Beitrag der Summe der Vorläuferemissionen zum gesamten PM10-Bildungspotenzial 62%. Betrachtet man nur NH 3, sind es 53%. Die NO x -, SO 2 - und die Kohlenwasserstoffemissionen zusammen stellen dagegen 37% des PM10-Bildungspotenzials. Die Einzelbeiträge können also deshalb nicht einfach addiert werden und ergeben in der Summe auch keine 100%.

20 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 14 Abbildung 4-7 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial des Szenarios keine deutschen anthropogenen Emissionen, siehe Kap Minderung der Emissionen in Deutschland um 100% pro angegebenen Stoff bzw. angegebener Stoffkombination. Gerundet auf volle Prozentangaben. Die Angabe in µg/m 3 ist der absolute Beitrag der Emissionen aller Stoffe in Deutschland zum PM10-Minderungspotenzial (Alle Stoffe).

21 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 15 Abbildung 4-8 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung der Emissionen in Deutschland um 100% pro angegebenen Stoff bzw. angegebener Stoffkombination.

22 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen pro Verursachergruppe In der zweiten Serie von hypothetischen Minderungsszenarien wurden alle Emissionen jeweils einer Verursachergruppe um 100% vermindert. Die Abbildung 4-9 zeigt das bevölkerungsgewichtete PM10-Minderungspotenzial jeder Verursachergruppe für die Bevölkerungsklasse 1 (ländliche Regionen) und die Bevölkerungsklasse 4 (Ballungsräume) relativ zu dem maximal möglichen Minderungspotenzial (-100% aller deutschen Emissionen). In Abbildung 4-10 sind die absoluten PM10-Minderungspotenziale zusammengestellt. In Ballungsräumen kann durch die Minderung der Emissionen aller Verursachergruppen (bzw. aller Stoffe, siehe Kap ) um 100% im Mittel eine Minderung der PM10-Konzentrationen um knapp 14 µg/m 3 erreicht werden. In den Ballungsräumen trägt die Summe der industriellen Emissionen (hier SNAP-Kategorie 1, 3, 4, 5 und 9) mit 37% am meisten zum PM10-Bildungspotenzial bei. An zweiter Stelle folgen die Gesamtemissionen des Straßenverkehrs (30%), dann die Emissionen der Landwirtschaft (23%). In ländlichen Regionen liefern die Emissionen der Landwirtschaft (hauptsächlich NH 3 -Emissionen) mit 55% den größten Beitrag zum PM10- Bildungspotenzial. Danach folgen Industrie (29%) und der Straßenverkehr (24%). Es sei auch hier noch einmal angemerkt, dass sich die Prozentangaben in Abbildung 4-9 (und auch den folgenden Abbildungen) nicht zu 100% ergänzen, da zum Einen verschiedene Verursachergruppen gesamt und in Untermengen dargestellt sind (z.b. die industriellen Gruppen) und zum Anderen die Nicht-Linearitäten im Bildungsablauf der sekundären Aerosole keine direkte Addition der Einzelbeiträge erlauben.

23 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 17 Abbildung 4-9 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial des Szenarios keine deutschen anthropogenen Emissionen, siehe Kap Minderung aller Emissionen der angegebenen Verursachergruppe in Deutschland um 100%. Gerundet auf volle Prozentangaben. Die Angabe in µg/m 3 ist der absolute Beitrag der Emissionen aller Verursachergruppen in Deutschland zum PM10-Minderungspotenzial (SNAP 1-10).

24 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 18 Abbildung 4-10 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung aller Emissionen der angegebenen Verursachergruppe in Deutschland um 100%.

25 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen pro Stoff und Verursachergruppe In dieser Serie von hypothetischen Szenarien wurde jeweils nur ein Stoff pro Verursachergruppe um 100% gemindert. Die Abbildung 4-11 zeigt dazu den relativen Beitrag, die Abbildung 4-12 den absoluten Beitrag der PM10-Emissionen der einzelnen Verursachergruppen zum gesamten immissionsseitigen PM10-Minderungspotenzial. In den Ballungsräumen tragen die PM10-Emissionen aller Verursachergruppen gemittelt 9.4 µg/m 3 zu den PM10-Jahresmittelwerten der Basissimulation bei. Dies entspricht etwa 2/3 des gesamten PM10-Minderungspotenzials aller deutschen Emissionen (13.9 µg/m 3, siehe auch Abbildung 4-7). Die industriellen PM10-Emissionen und die PM10-Emissionen des Kfz-Verkehrs stellen je 37% des Potenzials von 9.4 µg/m 3. Der Hauptanteil des PM10-Potenzials der industriellen PM10- Emissionen stammt aus den Prozessemissionen (SNAP 4). Die PM10-Emissionen der Kleinfeuerungsanlagen tragen 12% zum PM10-Minderungspotenzial der direkten PM10-Emissionen bei, die PM10-Auspuffemissionen 10%. Der Beitrag der PM10-Emissionen der Landwirtschaft zum PM10-Minderungspotenzial ist gering. In den ländlichen Regionen tragen die PM10-Emissionen aller Verursachergruppen im Mittel 2.7 µg/m 3 zum PM10-Jahresmittelwert bei. Bezogen auf das Minderungspotenzial aller deutschen Emissionen (7.1 µg/m 3, siehe auch Abbildung 4-7) entspricht dies einem Anteil von etwa 39%. Damit ist der Beitrag der direkten PM10-Emissionen zum PM10-Minderungspotenzial in ländlichen Regionen deutlich geringer als in den Ballungsräumen. Circa 1/3 des Gesamtbeitrages der direkten PM10-Emissionen stellen die PM10-Emissionen des Kfz- Verkehrs. Den 2. Rang belegen die industriellen PM10-Emissionen mit einem Anteil von 20%. Danach folgen die Landwirtschaft und die Kleinfeuerungsanlagen mit 16% bzw. 15%. Die Abbildung 4-13 zeigt den relativen, die Abbildung 4-14 den absoluten Beitrag der Summe der SO 2 -, NO x - und Kohlenwasserstoffemissionen (NMVOC oder NMHC) zum PM10- Minderungspotenzial. Absolut betrachtet stellen diese Vorläuferemissionen in den Ballungsräumen circa 3 µg/m 3 oder 21%, in ländlichen Regionen circa 2.6 µg/m 3 oder 37% des gesamten PM10-Bildungspotenzials von 13.9 µ/m 3 bzw. 7.1 µg/m 3. Allerdings sind diese Anteile wegen der bereits angesprochenen Nicht-Linearitäten in dem sekundären PM10-Bildungssystem nur als Näherung zu betrachten. Sowohl in Ballungsräumen als auch in ländlichen Regionen stellen die industriellen SO 2 -, NO x - und Kohlenwasserstoffemissionen den größten Anteil am PM10-Bildungspotenzial der Vorläuferstoffe, gefolgt von den Vorläuferemissionen des Kfz-Verkehrs. Den nach Verursachergruppen unterteilten Beitrag der deutschen NH 3 -Emissionen zum PM10-Minderungspotenzial zeigen die Abbildung 4-15 und die Abbildung Die NH 3 - Emissionen aller Verursachergruppen tragen in Ballungsräumen im Mittel 3.7 µg/m 3, in ländlichen Regionen 3.8 µg/m 3 zum PM10-Jahresmittelwert der Basissimulation bei (Abbildung 4-16). Dies entspricht in Ballungsräumen einem Beitrag von circa 27%, in ländlichen Regionen einem Beitrag von mehr als 50%. Der Großteil dieses Beitrags stammt aus den NH 3 - Emissionen der Landwirtschaft (80% in Ballungsräumen, mehr als 90% in ländlichen Regionen, siehe Abbildung 4-15).

26 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 20 Abbildung 4-11 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial aller deutschen PM10-Emissionen (=100%). Minderung der PM10-Emissionen der angegebenen Verursachergruppe in Deutschland um 100%. Gerundet auf volle Prozentangaben. Die Angabe in µg/m 3 ist der absolute Beitrag aller PM10-Emissionen in Deutschland zum PM10-Minderungspotenzial (SNAP 1-10).

27 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 21 Abbildung 4-12 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung der PM10-Emissionen der angegebenen Verursachergruppen in Deutschland um 100%.

28 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 22 Abbildung 4-13 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial aller deutschen NO x -, SO 2 - und Kohlenwasserstoffemissionen (NMVOC) (=100%). Minderung der Vorläufer-Emissionen NO x, SO 2, und der Kohlenwasserstoffe der angegebenen Verursachergruppe in Deutschland um 100%. Gerundet auf volle Prozentangaben. Die Angabe in µg/m 3 ist der absolute Beitrag aller NO x -, SO 2 - und NMVOC-Emissionen in Deutschland zum PM10-Minderungspotenzial (SNAP 1-10).

29 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 23 Abbildung 4-14 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung der Vorläufer-Emissionen NO x, SO 2 und der Kohlenwasserstoffe (NMVOC) der angegebenen Verursachergruppe in Deutschland um 100%.

30 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 24 Abbildung 4-15 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial aller deutschen NH 3 -Emissionen (=100%). Minderung der Vorläufer-Emissionen NH 3 der angegebenen Verursachergruppe in Deutschland um 100%. Die Angabe in µg/m 3 ist der absolute Beitrag aller NH 3 -Emissionen in Deutschland zum PM10-Minderungspotenzial (SNAP 1-10).

31 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 25 Abbildung 4-16 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung der Vorläufer-Emissionen NH 3 der angegebenen Verursachergruppen in Deutschland um 100%.

32 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen um 25% Minderung aller Emissionen Die Minderung der Emissionen um 100% diente zur Abschätzung des maximal möglichen PM10-Minderungspotenzials. Eine realistischere Minderungsrate ist 25%. Daher wurden die im letzten Kapitel beschriebenen Szenarienläufe für eine Minderung der deutschen anthropogenen Emissionen um 25% wiederholt. Die Abbildung 4-17 zeigt die PM10-Immissionsverteilung, die sich nach den Berechnungen einstellt, wenn in Deutschland alle anthropogenen Emissionen auf 75% der Referenzemissionen abgesenkt würden. Bezogen auf die Referenzsimulation (Abbildung 4-1) bewirkt die Absenkung der Emissionen auf 75% eine Abnahme der PM10-Jahresmittelwerte zwischen 2 und 17% mit den höchsten Abnahmen in den Ballungsgebieten. Absolut betrachtet entspricht dies einem PM10-Minderungspotenzial zwischen 0.3 und 5.4 µg/m 3 (Abbildung 4-18). Die Abbildung 4-19 zeigt das bevölkerungsgewichtete PM10-Jahresmittel für die 6 Auswerteklassen sowie die dazugehörigen Minderungspotenziale für eine Minderung der deutschen Emissionen um 100% und um 25%. Der mittlere Beitrag aller deutschen Emissionen (-100%) zu den PM10-Jahresmittelwerten 2005 beträgt in den Ballungsräumen 13.9 µg/m 3, in ländlichen Regionen 7.1 µg/m 3. Für eine Minderung der Emissionen um nur 25% reduzieren sich diese mittleren Minderungspotenziale auf 3.2 µg/m 3 bzw. 1.5 µg/m 3. Die Relationen zwischen der 25%igen und der 100%igen Emissionsminderung (1:4) und die Relationen der daraus resultierenden PM10-Immissionsminderungen (1:4.7 für BVK 1 und 1:4.3 für BVK 4) sind nicht identisch, was auf die Nicht-Linearitäten im Bildungsmechanismus der sekundären Aerosole zurückzuführen ist. Die größere Nicht-Linearität in ländlichen Regionen ist eine Folge des im Vergleich zu Ballungsräumen höheren Anteils der sekundären Aerosole an den PM10- Konzentrationen. Den Vergleich der relativen mittleren Auswirkungen der beiden hier diskutierten Szenarien zeigt die Abbildung Auch hier ist die Nicht-Linearität der Aerosolbildung in den Auswirkungen der unterschiedlich starken Emissionsminderungen zu erkennen.

33 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 27 Abbildung 4-17 PM10-Jahresmittelwerte 2005 in µg/m 3 in Deutschland nach einer Absenkung der deutschen Emissionen auf 75% der Referenz 2005 (oben). Unten: Relative Abnahmen der PM10- Jahresmittelwerte (%) der Referenz 2005 durch die 25%ige Minderung der deutschen anthropogenen Emissionen. MIN, MEAN und MAX geben den Prozentbereich der Abnahmen (MIN und MAX) sowie die mittlere Abnahme (MEAN) über Deutschland an.

34 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 28 Abbildung 4-18 PM10-Minderungspotenzial (µg/m 3 ) einer Absenkung der deutschen Emissionen auf 75% der Emissionsreferenz Abbildung 4-19 Bevölkerungsgewichtete PM10-Konzentrationen der Referenz 2005 für die 4 Bevölkerungsklassen, das Deutschlandmittel und das Mittel an den AEI-Stationen in µg/m 3 (blauer Balken). Maximales bevölkerungsgewichtetes PM10-Minderungspotenzial der deutschen Emissionen (-100% Emissionsminderung, brauner Balken) und PM10-Minderungspotenzial einer Minderung der deutschen Emissionen um 25% (grüner Balken). Modellgebiet Deutschland grob.

35 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 29 Abbildung 4-20 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) einer Minderung der deutschen Emissionen um 100% (brauner Balken) und einer Minderung um 25% (grüner Balken) bezogen auf die Referenz 2005 für die 4 Bevölkerungsklassen, das Deutschlandmittel und das Mittel an den AEI-Stationen in µg/m 3. Modellgebiet Deutschland grob.

36 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen pro Stoff Bei dieser Serie von hypothetischen Minderungsszenarien wurden die Emissionen jeweils pro Stoff in allen Verursachergruppen um 25% vermindert. Die Abbildung 4-21 zeigt das bevölkerungsgewichtete PM10-Minderungspotenzial jedes Stoffes für die Bevölkerungsklasse 1 (ländliche Regionen) und die Bevölkerungsklasse 4 (Ballungsräume) relativ zu dem gesamten Minderungspotenzial einer 25%igen Minderung der deutschen Emissionen. In Abbildung 4-22 sind die dazugehörigen absoluten PM10-Minderungspotenziale zusammengestellt. Der Vergleich von Abbildung 4-21 mit Abbildung 4-7 zeigt, dass die Anteile der direkten PM10- Emission am PM10-Minderungspotenzial bei einer 25%igen Emissionsminderung (73% in Ballungsräumen, 45% in ländlichen Regionen) höher sind als bei einer 100%igen Emissionsminderung (67% in Ballungsräumen, 39% in ländlichen Regionen). Auf der anderen Seite ist der Beitrag der gasförmigen Vorläuferstoffe, insbesondere der von NH 3, zum PM10-Minderungspotenzial bei einer nur 25%igen Minderung deutlich geringer als bei einer 100%igen Minderung der Emissionen. Dies ist eine Folge der bereits in Kapitel angesprochenen Nicht-Linearität im Bildungsmechanismus der sekundären Aerosole, die zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen der geminderten Menge an NH 3 und dem daraus resultierenden PM10-Minderungspotenzial führt.

37 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 31 Abbildung 4-21 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial des Szenarios -25% aller deutschen anthropogenen Emissionen. Minderung der Emissionen in Deutschland um 25% pro angegebenen Stoff bzw. angegebener Stoffkombination. Gerundet auf volle Prozentangaben. Die Angabe in µg/m 3 ist das absolute PM10-Minderungspotenzial des Szenarios - 25% aller deutschen anthropogenen Emissionen (Alle Stoffe).

38 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 32 Abbildung 4-22 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung der Emissionen in Deutschland um 25% pro angegebenen Stoff bzw. angegebener Stoffkombination.

39 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien Minderung der Emissionen pro Verursachergruppe In der nächsten Serie von hypothetischen Minderungsszenarien wurden alle Emissionen jeweils einer Verursachergruppe um 25% vermindert. Die Abbildung 4-23 zeigt das bevölkerungsgewichtete PM10-Minderungspotenzial jeder Verursachergruppe für die Bevölkerungsklasse 1 (ländliche Regionen) und die Bevölkerungsklasse 4 (Ballungsräume) relativ zu dem gesamten Minderungspotenzial einer 25%igen Minderung der deutschen Emissionen. In Abbildung 4-24 sind die dazugehörigen absoluten PM10-Minderungspotenziale zusammengestellt. In den Ballungsräumen stellen die Emissionen der industriellen Gruppen und des Kfz- Verkehrs wie schon bei einer 100%igen Minderung die größten Anteile am Minderungspotenzial. Die Rolle der Landwirtschaft, die bei einer 100%igen Minderung der Emissionen noch 23% des Minderungspotenzials in den Ballungsräumen stellt (Abbildung 4-9), wird bei einer nur 25%igen Minderung aber geringer (14%, siehe Abbildung 4-23). In den ländlichen Regionen liefert die Landwirtschaft auch bei einer nur 25%igen Emissionsminderung nach wie vor den höchsten Beitrag zum gesamten PM10-Minderungspotenzial, ihr Anteil ist aber deutlich geringer als bei einer 100%igen Emissionsminderung. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass insbesondere das PM10-Minderungspotenzial der NH 3 -Emissionen, die den Hauptteil der landwirtschaftlichen Emissionen stellen, in einem nicht-linearen Zusammenhang mit der NH 3 -Minderungsmenge steht. Der Straßenverkehr steigt in der Rangfolge der Verursachergruppen bzgl. ihres Beitrages zum PM10-Minderungspotenzial wenn man von einer 100%igen Emissionsminderung zu der realistischeren Minderung von 25% übergeht.

40 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 34 Abbildung 4-23 Relatives PM10-Minderungspotenzial (%) in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1) bezogen auf das Potenzial des Szenarios -25% aller deutschen anthropogenen Emissionen. Minderung der Emissionen in Deutschland um 25% pro angegebener Verursachergruppe bzw. angegebener Verursachergruppenkombination. Gerundet auf volle Prozentangaben. Die Angabe in µg/m 3 ist das absolute PM10- Minderungspotenzial des Szenarios -25% aller deutschen anthropogenen Emissionen (SNAP 1-10).

41 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 35 Abbildung 4-24 Absolutes PM10-Minderungspotenzial in µg/m 3 in Deutschland für Ballungsräume (oben, Bevölkerungsklasse 4) und ländliche Gebiete (unten, Bevölkerungsklasse 1). Minderung der Emissionen in Deutschland um 25% pro angegebener Verursachergruppe bzw. angegebener Verursachergruppenkombination.

42 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien PM10-Minderungspotenziale normiert auf identische Emissionsminderungen Bei den bisherigen Betrachtungen wurden die Emissionen für alle Stoffe jeweils relativ gemindert. Die identischen relativen Minderungsraten führen damit zu unterschiedlichen absoluten Minderungen, da die Gesamtmengen der in Deutschland emittierten Emissionen für die einzelnen Schadstoffe unterschiedlich hoch sind. Dies zeigt die Abbildung 4-25 für eine 25%ige Minderung der Emissionen. Danach führt eine 25%ige Minderung der NO x - Emissionen zu einer mehr als doppelt so hohen absoluten Emissionsminderung wie eine 25%ige Minderung der NH 3 -Emissionen. Dementsprechend beruhen die in den letzten Kapiteln diskutierten Vergleiche der stoffbezogenen PM10-Minderungspotenziale auf unterschiedlichen absoluten Minderungsmengen. Eine andere Betrachtungsweise ist der Vergleich von PM10-Minderungspotenzialen bezogen auf identische absolute Emissionsminderungen. Dazu zeigen Abbildung 4-26 und Abbildung 4-27 die stoffbezogenen PM10-Minderungsraten normiert auf das Minderungspotenzial einer 25%igen Absenkung der PM2.5-Emissionen. Bei einer relativen Absenkung der Emissionen um je 25% hat NH 3 in Ballungsräumen ein PM10- Minderungspotential, das circa 37% des PM10-Minderungspotenzials von PM2.5 entspricht (Abbildung 4-26 oben). Betrachtet man das PM10-Minderungspotenzial pro Kilotonne geminderten Stoffes, so sinkt das Minderungspotenzial von NH 3 auf 8% des Minderungspotenzials von PM2.5 (Abbildung 4-26 unten). Auch in ländlichen Regionen sinkt das PM10- Minderungspotenzial von NH 3 stark ab, wenn man von der relativen Betrachtung auf eine tonnenbezogene Betrachtung übergeht (Abbildung 4-27): Bei der relativen Betrachtung ist das PM10-Minderungspotenzial der NH 3 -Emissionen bei einer 25%igen Minderung mit 97% fast so hoch wie das Minderungspotenzial der PM2.5-Emissionen. Das auf 1 Kilotonne normierte Minderungspotenzial der NH 3 -Emissionen beträgt aber in ländlichen Regionen nur noch 22% des PM10-Minderungspotenzials einer Tonne PM2.5-Emissionen. Ähnliches gilt auch für die Vorläuferstoffe NO x und SO 2. Im Vergleich der Auswirkungen von Emissionsminderungen bezogen auf identische Minderungsmengen ist die Minderung der primären PM10- Emissionen damit mit Abstand die wirksamste Maßnahme zur Senkung der PM10-Konzentrationen. Das im Vergleich zu den Ballungsgebieten deutlich geringere PM10-Minderungspotenzial der PMCO-Emissionen (PMCO=PM10-PM2.5) in ländlichen Regionen ist eine Folge der hohen Depositionsrate der PM10-Grobfraktion. Die PM10-Grobfraktion wird sehr viel schneller am Boden deponiert als die PM10-Feinfraktion (PM2.5). In Quellnähe, d.h. überwiegend in den Ballungsräumen, macht sich dieser Umstand noch nicht so stark bemerkbar. Je länger die Transportzeit aber ist, desto größer wird der Unterschied in den Entfernungsraten zwischen Grob- und Feinfraktion. Eine größere Entfernungsrate bewirkt aber ein Absinken des PM10- Minderungspotenzials. Deshalb sinkt das auf eine Kilotonne normierte PM10-Minderungspotential der PMCO-Emissionen von 97% des entsprechenden Potenzials der PM2.5-Emissionen in Ballungsräumen auf 76% in ländlichen Gebieten.

43 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 37 Abbildung 4-25 Absolute Minderungsmengen in Deutschland für eine 25%ige Minderung der Emissionen

44 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 38 Abbildung 4-26 Normiertes PM10-Minderungspotenzial in Deutschland für Ballungsräume (Bevölkerungsklasse 4) bezogen auf das Potenzial von PM2.5. Emissionsminderung um 25% pro Stoff. Oben: Minderungspotenzial bezogen auf verschiedene absolute Minderungsmengen pro Stoff, siehe Abbildung Unten: Minderungspotenzial bezogen auf 1 Kilotonne Minderung pro Stoff.

45 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 39 Abbildung 4-27 Normiertes PM10-Minderungspotenzial in Deutschland für Ballungsräume (Bevölkerungsklasse 4) bezogen auf das Potenzial von PM2.5. Emissionsminderung um 25% pro Stoff. Oben: Minderungspotenzial bezogen auf verschiedene absolute Minderungsmengen pro Stoff, siehe Abbildung Unten: Minderungspotenzial bezogen auf 1 Kilotonne Minderung pro Stoff.

46 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien PM10-Minderungspotenziale für unterschiedliche NH 3 - und NO x - Emissionsminderungsmengen Es wurde bereits angesprochen, dass das auf eine Kilotonne Emissionsminderung normierte PM10-Minderungspotenzial der NH 3 -Emissionen abhängig ist von der Menge der geminderten Emissionen. Zur Quantifizierung dieses Effekts wurden in einer weiteren Serie von hypothetischen Szenarien die NH 3 -Emissionen schrittweise gemindert. Abbildung 4-28 zeigt die relativen PM10-Minderungspotenziale einer Kilotonne NH 3 -Emissionsminderung bezogen auf das Potenzial für eine 5%ige Minderung der NH 3 -Emissionen. Es ist offensichtlich, dass die PM10 senkende Wirkung einer Kilotonne NH 3 -Emissionen mit zunehmender Minderungsmenge ansteigt. Mindert man die NH 3 -Emissionen um 25%, ist das auf 1 Kilotonne normierte PM10-Minderungspotenzial 10 bis 12% höher als bei einer 5%igen Minderung. Für eine 50%ige Minderung der NH 3 -Emissionen erhöht sich das auf eine Kilotonne normierte PM10-Minderungspotenzial bereits um 30 bis 34%. Insgesamt steigt das PM10-Minderungspotenzial der NH 3 -Emissionen mit wachsender Emissionsminderung überproportional an. Die NH 3 -Emissionsminderung wird also umso effektiver, je stärker die Emissionen gemindert werden. Abbildung 4-29 zeigt die Ergebnisse entsprechender Szenarienläufe für eine stufenweise Minderung der NO x -Emissionen. In Ballungsräumen zeigt sich auch für das PM10- Minderungspotenzial der NO x -Emissionen die Tendenz, dass das auf eine Kilotonne normierte Potenzial mit wachsender Emissionsminderungsmenge ansteigt, allerdings in einem sehr viel geringeren Ausmaße als bei den NH 3 -Emissionsminderungen. In ländlichen Regionen bleibt das PM10-Minderungspotenzial der NO x -Emissionen über alle Minderungsstufen nahezu konstant und nimmt mit zunehmender Minderungsmenge sogar geringfügig ab.

47 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 41 Abbildung 4-28 Relatives PM10-Minderungspotenzial in Deutschland für Ballungsräume (Bevölkerungsklasse 4, oben) und ländliche Regionen (Bevölkerungsklasse 1, unten) für unterschiedliche NH 3 - Emissionsminderungsmengen bezogen auf das Potenzial einer NH 3 -Emissionsminderung um 5%, normiert auf 1 Kt NH 3 -Emissionsminderung.

48 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 42 Abbildung 4-29 Relatives PM10-Minderungspotenzial in Deutschland für Ballungsräume (Bevölkerungsklasse 4, oben) und ländliche Regionen (Bevölkerungsklasse 1, unten) für unterschiedliche NO x - Emissionsminderungsmengen bezogen auf das Potenzial einer NO x -Emissionsminderung um 5%, normiert auf 1 Kt NO x -Emissionsminderung.

49 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 43 5 Zusammenfassung Die hier vorgestellte PM10-Ursachenanalyse basierte auf verursachergruppen- und stoffbezogenen hypothetischen Szenarien. Dazu wurden die Basisemissionen 2005 von SO 2, NO x, NMVOC, PM10 und NH 3 für 10 Verursachergruppen (SNAPs) in Deutschland systematisch variiert. Das umfassendste Szenario ist die Verminderung aller deutschen anthropogenen Emissionen um 100%. Aus diesem Szenario lässt sich ableiten, dass in Deutschland zwischen 49% (ländliche Gebiete, Bevölkerungsklasse 1) bis 63% (Ballungsgebiete, Bevölkerungsklasse 4) der PM10-Jahresmittelwerte ursächlich den deutschen Emissionen zugeschrieben werden können. Absolut entspricht dies einem maximal möglichen Minderungspotenzial von circa 7 µg/m 3 in ländlichen Regionen und circa 14 µg/m 3 in Ballungsräumen. Dieses Minderungspotenzial kann in etwa folgenden Stoffen, unabhängig von der Verursachergruppe, zugeordnet werden: -100% aller deutschen Emissionen Minderungspotenzialbeiträge pro emittiertem Stoff Städtischer Hintergrund max. Minderungspotenzial PM10: circa 2/3 14 µg/m 3 Summe der Vorläufer NH 3,NO x, SO 2,NMVOC circa 1/3 Ländlicher Hintergrund max. Minderungspotenzial Summe der Vorläufer NH 3, NO x, SO 2, NMVOC circa 2/3 7 µg/m 3 PM10: circa 1/3 Tabelle 5-1 Stoffbezogene Beiträge zum maximal möglichen Minderungspotenzial für den hypothetischen Fall einer 100%igen Reduzierung der deutschen anthropogenen Emissionen. Emissionsreferenz In Ballungsräumen sind also die primären PM10-Emissionen für circa 2/3, in ländlichen Regionen nur für circa 1/3 für die von den deutschen Emissionen verursachten PM10- Immissionen verantwortlich. Die Summe der gasförmigen Vorläuferemissionen, die über komplexe physikalisch/chemische Prozesse zur PM10-Bildung beitragen, stellt in ländlichen Regionen circa 2/3, in Ballungsräumen dagegen nur circa 1/3 des PM10-Bildungspotenzials, wobei der größte Einzelbeitrag den NH 3 -Emissionen der Landwirtschaft zugeordnet werden kann. Bei der verursachergruppenbezogenen Betrachtung tragen die Emissionen der industriellen Gruppen (SNAP 1, 3, 4, 5, 9) und die Verkehrsemissionen (Auspuff-, Abrieb- und Wiederaufwirbelungsemissionen) in Ballungsräumen zu etwa je einem Drittel zum PM10-Bildungspotenzial bei (Tabelle 5-2). In ländlichen Regionen sind die Emissionen der Landwirtschaft (hauptsächlich NH 3 -Emissionen) mit circa 50% am PM10-Bildungspotenzial beteiligt. Diese Beiträge wurden durch die jeweilige komplette Abschaltung der Emissionen einzelner Stoffe oder einzelner Verursachergruppen ermittelt.

50 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien % aller deutschen Emissionen Minderungspotenzialbeiträge pro Verursachergruppe Städtischer Hintergrund max. Minderungspotenzial Industrie und Straßenverkehr : circa je 1/3 14 µg/m 3 Landwirtschaft: circa 1/4 Ländlicher Hintergrund max. Minderungspotenzial Landwirtschaft circa 1/2 7 µg/m 3 Straßenverkehr und Industrie circa je 1/4 Tabelle 5-2 Verursachergruppenbezogene Beiträge zum maximal möglichen Minderungspotenzial für den hypothetischen Fall einer 100%igen Reduzierung der deutschen anthropogenen Emissionen. Emissionsreferenz Vermindert man die Emissionen anstatt um 100% jeweils nur um (realistischere) 25% verschieben sich die oben angeführten stoffbezogenen Beiträge in dem Sinne, dass die Beiträge der direkten PM10-Emissionen zum gesamten Minderungspotenzial (-25% aller deutschen Emissionen) zunehmen, während die Beiträge der gasförmigen Vorläuferemissionen abnehmen (Tabelle 5-3). Bei den verursachergruppenbezogenen Beiträgen stellen die Emissionen der industriellen Gruppen und des Kfz-Verkehrs auch bei einer 25%igen Emissionsminderung in den Ballungsräumen die größten Anteile am Minderungspotenzial (Tabelle 5-4). Die Rolle der Landwirtschaft, die bei einer 100%igen Minderung der Emissionen noch 23% des Minderungspotenzials in den Ballungsräumen stellt, wird bei einer nur 25%igen Minderung aber geringer (14%). In den ländlichen Regionen liefert die Landwirtschaft auch bei einer nur 25%igen Emissionsminderung nach wie vor den höchsten Beitrag zum gesamten PM10-Minderungspotenzial, ihr Anteil ist aber deutlich geringer als bei einer 100%igen Emissionsminderung. Dies ist ein deutlicher Hinweis, dass insbesondere das PM10-Minderungspotenzial der NH 3 -Emissionen, die den Hauptteil der landwirtschaftlichen Emissionen stellen, in einem nicht-linearen Zusammenhang mit der NH 3 -Minderungsmenge steht. -25% aller deutschen Emissionen Minderungspotenzialbeiträge pro emittiertem Stoff Städtischer Hintergrund max. Minderungspotenzial PM10: circa 3/4 3 µg/m 3 Vorläufer NH 3, NO x, SO 2, NMVOC circa 1/4 Ländlicher Hintergrund max. Minderungspotenzial Vorläufer NH 3, NO x, SO 2, NMVOC circa 1/2 1.5 µg/m 3 PM10: circa 1/2 Tabelle 5-3 Stoffbezogene Beiträge zum maximal möglichen Minderungspotenzial für den hypothetischen Fall einer 25%igen Reduzierung der deutschen anthropogenen Emissionen. Emissionsreferenz 2005.

51 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 45-25% aller deutschen Emissionen Minderungspotenzialbeiträge pro Verursachergruppe Städtischer Hintergrund max. Minderungspotenzial Industrie und Verkehr : circa je 1/3 3 µg/m 3 Landwirtschaft: circa 1/7 Ländlicher Hintergrund max. Minderungspotenzial Landwirtschaft circa 1/3 1.5 µg/m 3 Kfz-Verkehr circa 1/4 Industrie: circa 1/5 Tabelle 5-4 Verursachergruppenbezogene Beiträge zum maximal möglichen Minderungspotenzial für den hypothetischen Fall einer 25%igen Reduzierung der deutschen anthropogenen Emissionen. Emissionsreferenz Bei der relativen Betrachtung muss berücksichtigt werden, dass die geminderten Stoffbeiträge unterschiedlich hoch sind. Eine 25%ige Minderung der NH 3 -Emissionen bedeutet eine circa dreimal höhere absolute Minderung in Kilotonnen als eine 25%ige Minderung der PM10- Emissionen. Bei einer 25%igen Minderung der Stoffe ist das Minderungspotenzial einer Kilotonne PM2.5-Emissionen circa 5mal höher als das Minderungspotenzial einer Kilotonne NH 3 - Emissionen. Infolge der nicht-linearen Zusammenhänge zwischen NH 3 -Minderungen und den daraus resultierenden PM10-Änderungen ändert sich das Minderungspotenzial der NH 3 - Emissionen aber drastisch mit der Menge der geminderten Emissionen. Dies bedeutet, dass das PM10-Immissionsminderungpotenzial einer Kilotonne geminderter NH 3 -Emissionen mit zunehmender NH 3 -Emissionsminderung stark ansteigt. Es muss betont werden, dass die Beiträge der einzelnen Stoffe und Verursachergruppen wegen dieser Nicht-Linearitäten im PM10-Bildungssystem nur als Abschätzung betrachtet werden können. Es lässt sich festhalten: In Ballungsgebieten ist die direkte Minderung der PM10-Emissionen die effektivste Maßnahme zur Absenkung der PM10-Konzentrationen, die Hauptverursacher sind Industrie und Straßenverkehr, In ländlichen Gebieten ist das Minderungspotenzial der PM10-Emissionen und der gasförmigen Vorläuferemissionen etwa gleich groß, der Hauptverursacher ist die Landwirtschaft gefolgt vom Straßenverkehr und der Industrie, Das PM10-Minderungspotenzial pro Kilotonne geminderter Vorläuferemissionen (außer NMVOC), in besonderem Maße das von NH 3, ist abhängig von der Reduktionsmenge und steigt mit wachsender Minderungsmenge.

52 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 46 6 Literatur Builtjes, P., W. Jörß, W., R. Stern, J. Theloke (2010) Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung. PAREST-Endbericht, Schlussbericht an das Umweltbundesamt zum Forschungsvorhabens FKZ /01 Denier van der Gon, H.A.C., A.J.H. Visschedijk, H. van der Brugh, R. Droge (2010). A high resolution European emission data base for the year Forschungs-Teilbericht im Rahmen des PAREST-Vorhabens: FKZ /01 Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung, TNO, Niederlande. Fath, J., Kerschbaumer, A., Stern, R. (2010) Archivierung der im Rahmen des Parest-Projekts erzeugten Immissionsfelder. Forschungs-Teilbericht im Rahmen des PAREST-Vorhabens: FKZ /01 Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung. Berlin, Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin. Jörß, W., Kugler, U., Theloke, J. (2010) Emissionen im PAREST-Referenzszenario Forschungs-Teilbericht an das Umweltbundesamt, im Rahmen des PAREST-Vorhabens: FKZ /01 Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung, Berlin: IZT und IER. Kerschbaumer, A. und Reimer, E. (2003). Erstellung der Meteorologischen Eingangsdaten für das REM/Calgrid-Modell: Modellregion Berlin-Brandenburg. Abschlussbericht zum UBA- Forschungsvorhaben Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie. Kerschbaumer, A. (2010). Abhängigkeit der RCG-Simulationen von unterschiedlichen meteorologischen Treibern. Forschungs-Teilbericht an das Umweltbundesamt, im Rahmen des PAREST-Vorhabens: FKZ /01 Strategien zur Verminderung der Feinstaubbelastung, Institut für Meteorologie der Freien Universität Berlin. Stern, R. (2003) Entwicklung und Anwendung des chemischen Transportmodells REM/CALGRID. Abschlussbericht zum Forschungs- und Entwicklungsvorhaben des Umweltbundesamts Modellierung und Prüfung von Strategien zur Verminderung der Belastung durch Ozon. Stern, R. (2004a) Großräumige PM10-Ausbreitungsmodellierung: Abschätzung der gegenwärtigen Immissionsbelastung in Europa und Prognose bis KRdL-Experten-Forum "Staub und Staubinhaltsstoffe", /10, Düsseldorf, VDI-KRdL-Schriftenreihe 33, 2004 Stern, R. (2004b) Weitere Entwicklung und Anwendung des chemischen Transportmodells REM-CALGRID für die bundeseinheitliche Umsetzung der EU-Rahmenrichtlinie Luftqualität und ihrer Tochterrichtlinien. Abschlussbericht zum F&E-Vorhaben des Umweltbundesamts Anwendung modellgestützter Beurteilungssyteme für die bundeseinheitliche Umsetzung der EU- Rahmenrichtlinie Luftqualität und ihrer Tochterrichtlinien

53 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 47 7 Anhang B: Die RCG-Modellgebiete Zur Anwendung des RCG-Modells in PAREST werden Berechnungen in den drei Skalen Europa, Deutschland Nest 1, Deutschland Nest 2 durchgeführt. Die Randbedingungen für Nest 1 liefert die europaweite RCG-Anwendung im so genannten Nest 0. Die Randbedingungen für Nest 2 stammen aus der Anwendung des Modells in Nest 1. Abbildung 7-1, Abbildung 7-2 und Abbildung 7-3 zeigen die drei hier verwendeten Modellgebiete. Abbildung 7-1 RCG-Rechengebiet Nest 0 (N0): Europäischer Hintergrund, Auflösung circa 32x28 km2, 0.25 Breite, 0.5 Länge, 82 x 125 Gitterzellen, Rechengebiet: -10 W bis 30 Ost, N bis 66.0 N

54 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 48 Abbildung 7-2 Nest 1 (N1): Deutschland, Auflösung circa 16 km x 14 km, Breite, 0.25 Länge, (N0/2), 54 x 68 Gitterzellen incl. Randreihen (rot), Rechengebiet: 4.0 O bis 17.0 O, 47 N bis N

55 Parest: PM10-Ursachenanalyse auf der Basis hypothetischer Emissionsminderungsszenarien 49 Abbildung 7-3 Nest 2 (N2) Deutschland, Auflösung circa 8 km x 7 km, Breite, Länge (N0/4, N1/2), 82 x 126 Gitterzellen incl. Randreihen, Rechengebiet: 5.5 O bis 15.5 O, N bis 55.0 N

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